Biotechnologia to dziedzina nauki obejmująca kierunki technicznego wykorzystania różnych materiałów oraz procesów biologicznych. Za perspektywiczną technikę stosowaną w biotechnologii uznaje się inżynierię genetyczną. Stwarza ona wiele możliwości, bowiem polega na manipulacjach materiałem genetycznym. Technologia rekombinacji oraz klonowania DNA umożliwiają powstanie nowych i szczególnie użytecznych narzędzi służących do analizowania mechanizmów funkcjonowania komórek, jak również przyczynia się do powstania nowych działów technologicznych.

Człowiek już od dawna ingeruje w genomy roślin uprawnych i zwierząt hodowlanych. Dzisiaj w praktyce do tego celu wykorzystuje się informacje zebrane przez genetyków molekularnych. Najlepszym przykładem zastosowania genetyki molekularnej jest inżynieria genetyczna. Polega ona na wycinaniu określonego genu z jednego genomu, wstawieniu go do genomu innego organizmu oraz badaniu zachowania się tego genu.

Narzędziami wykorzystywanymi w inżynierii genetycznej są enzymy restrykcyjne i wektory. Metody inżynierii genetycznej pozwalają na cięcie nici DNA różnych organizmów, wstawianie jej fragmentów do naturalnych albo sztucznych wektorów, a następnie wprowadzenie ich najczęściej do organizmów bakteryjnych.

W technikach inżynierii genetycznej korzysta się ze znajomości struktury DNA oraz kodu genetycznego. Dane odcinki DNA mają określone sekwencje nukleotydowe, o których można wnioskować na podstawie kolejności aminokwasów budujących białko. Opracowano już metody syntezy kwasu dezoksyrybonukleinowego bez udziału innych organizmów. Tą drogą zsyntetyzowano insulinę składającą się z 51 aminokwasów i pewne kilku aminokwasowe neurohormony.

Produkty białkowe otrzymywane przez ludzi ze źródeł naturalnych nie zaspokajają często rosnącego na nie popytu. Dlatego już dziś białka oraz różne żywe komórki otrzymane dzięki manipulacjom wykorzystującym techniki inżynierii genetycznej odgrywają istotną rolę w życiu współczesnego człowieka. Dziedzinami nauki dostarczającymi spektakularnych przykładów zastosowania inżynierii genetycznej są medycyna i farmacja. Ludzka insulina wyprodukowana przez E. coli była bowiem jednym z pierwszych handlowych produktów białkowych otrzymanych dzięki wykorzystaniu technik inżynierii genetycznej. Nim uzyskano szczepy bakterii produkujących insulinę, hormon ten otrzymywano jedynie z trzustek zwierzęcych. W konsekwencji wielu cukrzyków dostawało alergii na insulinę pochodzącą od zwierząt, bowiem jej sekwencja aminokwasowa jest inna niż sekwencja aminokwasów ludzkiej insuliny. Produkcja ludzkiego białka przy wykorzystaniu technik sztucznej rekombinacji stworzyło wielkie możliwości bezpiecznej terapii insulinowej dla cukrzyków.

Białkiem produkowanym dzięki inżynierii genetycznej jest hormon wzrostu niezbędny podczas leczenia wad wzrostowych u ludzi, szczególnie dzieci. Wcześniej hormon ten pozyskiwany był ze zwłok. Uzyskiwano tą drogą jedynie nieznaczne ilości tego białka, które dodatkowo często były zanieczyszczone wirusami.

Produktem uzyskiwanym dzięki technikom inżynierii genetycznej jest również białkowy czynnik krzepnięcia krwi - czynnik VIII, którego nie syntetyzują organizmy ludzi chorych na hemofilię typu A. Stosowanie sztucznie uzyskanego czynnika eliminuje prawdopodobieństwo zakażenia hemofilityka wirusem HIV, który powoduje AIDS. Ryzyko infekcji HIV istnieje bowiem wówczas, gdy chorym podaje się preparaty zawierające czynnik VIII pozyskiwane z krwi.

Innym białkiem otrzymywanym na drodze technik biotechnologicznych jest czynnik przeciwwirusowy - interferon, syntetyzowany przez niektóre szczepy bakterii, a także antygen powierzchniowy wirusa żółtaczki wytwarzany przez drożdże, który wykorzystywany jest do produkcji szczepionki przeciw wirusowemu zapaleniu wątroby.

Głównym obiektem zainteresowań inżynierów genetyków są organizmy bakteryjne. Wprowadzenie bowiem obcego DNA do genomów organizmów wyższych jest trudniejsze. Obecnie można izolować i hodować komórki oraz tkanki zwierzęce, w które następnie można wprowadzić obcy DNA. Doświadczenia dotyczą także transformacji gamet zwierzęcych czy zygot. Tą drogą udało się między innymi wprowadzić do genomu myszy geny królika. Ingerencja w komórki roślinne jest trudniejsza niż w komórki zwierzęce, bowiem te pierwsze posiadają grubszą ścianę komórkowa.

Organizmy transgeniczne to organizmy roślin i zwierząt, które mają włączone do swojego genomu obcy DNA i przekazują go kolejnym pokoleniom zgodnie z dziedziczeniem menlowskim.. Wprowadzenie i włączenie obcego DNA wykonuje się poprzez zastosowanie wielu technik. Do wprowadzenia DNA do komórki stosuje się np. wektory wirusowe, a także bezpośrednio wstrzykuje się kwas dezoksyrybonukleinowy do komórek. Białka zwierzęce dzięki metodom inżynierii genetycznej wytwarzane są przez zwierzęta, które w swoich komórkach zawierają wprowadzony i odpowiednio przygotowany wcześniej gen. Jest on deponowany w komórce docelowej za pomocą techniki mikroininiekcji, czyli wprowadzenia genu do jądra zapłodnionej komórki jajowej. Takie jajo implantuje się w macicy i przechodzi pełny rozwój. Uzyskane transgeniczne potomstwo jest stosowane w wielu rodzajach badań naukowych, które dotyczą m.in. zagadnień związanych z regulacją ekspresji genów, chorób genetycznych, funkcjonowania układu immunologicznego czy genów związanych z rozwojem nowotworów. Niżej wymieniono kilka przykładów organizmów transgenicznych:

- transgeniczne pomidory charakteryzują się przedłużoną trwałością przechowywania; w Stanach Zjednoczonych dostępne są na rynku od roku 1994;

- transgeniczne ziemniaki produkują albuminę typu HSA, czyli białko utrzymujące prawidłowe ciśnienie osmotyczne krwi;

- transgeniczna bawełna uzyskana w jednym z laboratoriów amerykańskiej firmy biotechnologicznej posiada włókna z domieszką poliestru zwiększającego termoizolacyjność materiału;

- transgeniczny tytoń produkowany w USA ma zwiększoną odporność na herbicydy (środki chwastobójcze);

- transgeniczne świnie i myszy są wykorzystywane w badaniach genetycznych;

- prowadzone są badania mające umożliwić przeniesienie z bakterii genów wiążących wolny azot atmosferyczny do komórek roślinnych.

Odmianą inżynierii genetycznej jest inżynieria komórkowa, której istotą są zabiegi przeprowadzane na całych komórkach lub całych jądrach komórkowych. Dzięki tym technikom udało się połączyć komórki pochodzące od różnych gatunków zwierząt. Owa technika komórek mieszańcowych umożliwiła uzyskać jednorodne przeciwciała tzw. przeciwciała monoklonalne. Ma ona wielkie znaczenie praktyczne, bowiem komórki mieszańcowe produkują tylko jeden rodzaj przeciwciał, podczas gdy w stosowany dotychczas sposób uzyskiwano z krwi zwierzęcej mieszaninę wielu różnych przeciwciał.

Techniką, która może być wykorzystywana zarówno w medycynie, jak i przemyśle jest unieruchamianie enzymów na podłożach trwałych. Opiera się ona na izolacji, oczyszczaniu i wiązaniu enzymów z podłożem stałym tak, by traciły one zdolność rozpuszczalności nie tracąc jednak swej aktywności. Przez pojemnik z unieruchomionym w nim enzymem można przepuszczać roztwór, który będzie ulegał reakcjom chemicznym katalizowanym przez owy enzym. Takie wykorzystanie enzymów niesie ze sobą wiele zalet. Medycyna dąży do związania nośników z takimi enzymami, których inaktywacja, uwarunkowana zwykle genetycznie, przyczynia się do rozwoju choroby np. fenyloketonurii. W jej przypadku skuteczna i prosta terapia ma polegać na wiązaniu enzymu odpowiedzialnego za przekształcanie gromadzącego się we krwi chorego aminokwasu - fenyloalaniny, ze stałym nośnikiem.

Naukowcy prowadzą prace i badania, których celem jest wykorzystanie technik biologicznych do stworzenia roślin zdolnych do wiązania azotu atmosferycznego, co niewątpliwie zrewolucjonizowałoby rolnictwo. Biotechnologia jest także wykorzystywana w procesach produkcji proszku do prania, a także usuwania zanieczyszczeń środowiska. Genetycznie zmienione bakterie i grzyby mają bowiem zdolność rozkładania zanieczyszczeń siarką czy ropą naftową. Jednak stosowanie tych mikroorganizmów jest niezwykle skomplikowane, ponieważ istnieje ryzyko wydostania się bakterii rozkładających produkty ropy naftowej spod kontroli badaczy, co mogłoby spowodować niewyobrażalne skutki.

Techniką inżynierii genetycznej jest klonowanie. Jest to proces uzyskiwania klonów, czyli osobników genetycznie identycznych z organizmem wyjściowym. Jeśli na przykład z zapłodnionej komórki jajowej żaby usunie się jądro komórkowe zygoty, a na jego miejsce wprowadzi jądro komórkowe pochodzące z komórki nabłonka jelitowego innej żaby, to uzyskane diploidalne jajo rozwija się normalnie i powstaje z niego żaba. Jajo dające początek organizmowi żaby zawiera takie same geny, jak geny płaza, z tkanki którego pobrano jądro komórkowe. Otrzymana żaba jest zatem identyczna z płazem, od którego pobrano jądro komórkowe wprowadzone następnie do jaja. Drogą klonowania otrzymano już homozygotyczne myszy (na homologicznych chromosomach mają takie same geny ułożone identycznie), a w lutym 1997 roku brytyjskim naukowcom z Edynburga udało się klonować owcę. W tym celu wykorzystali oni komórki dorosłego osobnika, sklonowana owca rozwinęła się dopiero z około 200 embrionu, a koszt przedsięwzięcia przekroczył 1 mln dolarów. Niewiele później naukowcy amerykańscy z Oregonu przekazali światu informacje o udanej próbie sklonowania małpy rezus. Uczeni ci, w przeciwieństwie do badaczy angielskich, zastosowali materiał komórkowy pochodzący z embrionu znajdującego się we wczesnej fazie rozwoju, a nie z komórek organizmu dorosłego. W maju 2002 roku naukowcy z Akademii Rolniczej w Krakowie, przy współpracy z badaczami z Czech uzyskali 8 -tygodniowe jagnięta niedojrzałe płciowo, które miały potomstwo. Od młodych owiec uczeni pobrali niedojrzałe płciowo komórki i umieścili je na odżywce, dzięki której w ciągu 24 godzin komórki te nabyły zdolności do rozmnażania. Następnie uzyskane zarodki zostały wprowadzone do organizmu matki zastępczej. Po 146 dniach na świat przyszły zdrowe trojaczki. Naukowcy przekonują, że osiągnięcie to pozwoli uzyskiwać zwierzęta doskonalsze, posiadające gęstszą wełnę czy dające bogatsze w substancje odżywcze mleko. W styczniu 1998 roku kilkanaście państw z całego świata podpisało konwencję, która zabrania klonowania ludzi.

Opracowano także metodę fenokopii mutacji. Osobniki nazwane fenokopiami mutacji charakteryzują się ujawnianiem się u nich cech charakterystycznych dla konkretnej mutacji bez modyfikowania jednak materiału genetycznego. Po raz pierwszy fenokopie otrzymał Jacob poprzez blokowanie translacji określonego genu.

Z roku na rok lista zastosowań metod biotechnologicznych będzie się na pewno wydłużać, a wraz z upływem czasu będą pojawiały się nowe technologie.

Inżynieria genetyczna wymaga stosowania szeregu doświadczeń pomocniczych i prób zasadniczych, podczas których zużywane jest wiele komórek. W tym celu niezbędne jest dysponowanie kopiami określonego genu, które otrzymuje się przez powielenie danego odcinka w identycznych kopiach. Zabiegi te przeprowadza się dwojako:

  1. przez klonowanie DNA - wyizolowany gen wprowadza się do komórki
  2. przy wykorzystaniu techniki PCR - pozwala na szybkie namnożenie konkretnego odcinka DNA w probówce.

Jak już wcześniej zostało wspomniane, wprowadzenie do komórki danego genu wymaga zastosowania wektora. Jest on rodzajem opakowania umożliwiający transfer DNA między komórkami. Jednym z największych problemów inżynierii genetycznej jest umieszczenie danego genu w pożądanym miejscu. Często efektem ubocznym tych zabiegów jest włączenie innego genu. Dlatego jedynym wyjściem jest wykonywanie licznych prób oraz sekwencjonowanie komórek wykazujących komplet oczekiwanych cech.

Osoby, które bezpośrednio odniosły korzyści wynikające z zastosowania techniki sztucznej rekombinacji DNA nie wątpią, że rozwój omawianej technologii miał niezwykle ważne i dobroczynne znaczenie. W latach siedemdziesiątych XX wieku, gdy nowe technologie były dopiero wprowadzane, uczeni obawiali się skutków niewłaściwego ich użycia. Zaniepokojenie wywoływała myśl o przypadkowym wyprodukowaniu organizmu, który mógłby wpływać szkodliwie na środowisko. Zupełnie nowe szczepy bakterii czy innych dotąd nieznanych organizmów mogłyby wymknąć się spod kontroli naukowców. Uczeni, którzy wnieśli swój wkład w rozwój technik inżynierii genetycznej byli świadomi opisanych zagrożeń i nalegali na wprowadzenie szczegółowych przepisów, które nową technologię uczyniłyby bezpieczną. Żywione obawy nie znalazły potwierdzenia w historii metod biotechnologicznych, a doświadczenia z manipulacjami genetycznymi przeprowadzane były z zachowaniem środków bezpieczeństwa w licznych laboratoriach przemysłowych i uniwersyteckich. Ostrzeżenia przewidujące wydostanie i rozprzestrzenianie się szczepów bakterii posiadających niebezpieczne i groźne geny w środowisku okazały się na szczęście bezpodstawne. Szczepy E. coli hodowane w laboratoriach giną poza nim szybko, bowiem nie potrafią skutecznie konkurować z dziką odmianą żyjącą w naturalnym środowisku. Doświadczenia, podczas których stosowane są ryzykowne procedury są prowadzone w pomieszczeniach laboratoryjnych specjalnie zaprojektowanych tak, by zapobiec wydostaniu się niebezpiecznych zarazków chorobotwórczych oraz zagwarantować bezpieczeństwo badaczom. Przestano obawiać się już przypadkowego sklonowania genu niebezpiecznego czy uwolnienia do środowiska groźnego organizmu. Jednak to nie oznacza, że umyślne zaprojektowanie oraz wytworzenie niebezpiecznej konstrukcji genowej jest niemożliwe. Większość naukowców docenia znaczenie technologii rekombinacji DNA oraz przyznaje, że związane z nimi obawy zagrożenia ludzi oraz środowiska były zbyt przesadzone. Złagodzono przepisy bezpieczeństwa, gdy udowodniono, że doświadczenia związane z manipulacją w genomie nie niosą ze sobą wielkiego niebezpieczeństwa. Ostre ograniczenia natomiast utrzymano w stosunku do badań, w których metody inżynierii genetycznej stosuje się w pracy z genami o wysokim ryzyku oraz z genami, które są potencjalnie groźne, a ich wpływ na środowisko nie jest w pełni poznany. Szczególne ograniczenia dotyczą projektów proponujących wprowadzenie do środowiska organizmów otrzymanych dzięki manipulacjom genetycznym. Mowa tu na przykład o roślinach uprawnych, których pyłek bądź nasiona mogą rozprzestrzeniać się w sposób niekontrolowany. Obecnie naukowcy próbują określić efekty wprowadzenia do naturalnego środowiska organizmów transgenicznych. Wkrótce zapoznamy się dokładnie z ryzykiem takiego ewentualnego przedsięwzięcia.

Rozwój technik inżynierii genetycznej rozbudził nadzieje zwłaszcza wśród grupy osób dotkniętej wadami genetycznymi. Naukowcy rozpoczęli ingerencję w ludzki materiał genetyczny, co rozpoczęło erę terapii genowej, która ma przed sobą wielką przyszłość. Terapia genetyczna polega na:

  1. substytucji, czyli podstawieniu alleli uszkodzonych prawidłowymi;
  2. korekcji, czyli naprawie uszkodzonych genów;
  3. wprowadzeniu, np. drogą transdukcji, genu prawidłowego do zmutowanej komórki.

W tym ostatnim przypadku problem stwarza fakt funkcjonowania w komórce dwóch takich samych genów (od matki i od ojca). Problemów technicznych towarzyszących terapii genowej jest więcej. Należy jeszcze rozwiązać kwestię dotarcia terapii genowej do jak największej liczby konkretnych komórek ciała i precyzyjnego wstawienia danych genów we właściwe miejsce na chromosomie. Błędna insercja może bowiem zakończyć się tragicznie, gdy unieczynniony zostanie inny gen, na skutek czego dojdzie do ujawnienia się negatywnych skutków terapii.

Współczesna genetyka dokłada wszelkich starań, by poprawić stan zdrowia społeczeństwa. Zwierzęta transgeniczne mogłyby być dawcami narządów do przeszczepów przeprowadzanych wśród ludzi. Eksperymenty tego rodzaju przeprowadzono już ze świniami. Na wstępnych etapach badań wyniki były bardzo obiecujące. Rozpowszechnienie terapii genowej byłoby także ogromnym osiągnięciem. Wielkie nadzieje wiązane są z leczeniem np. mukowiscydozy. Leczenie bowiem planuje się przeprowadzać z wykorzystaniem inhalatorów zawierających wektory wirusowych, które przenoszą prawidłowe geny kodujące proteinę aktywującą kanały chlorkowe znajdujące się w komórkach pacjenta. Dzięki użyciu sond molekularnych w postaci testów genetycznych już dziś umożliwia wczesną diagnozę wielu chorób genetycznych. Sondę stanowi najczęściej wyznakowany radioaktywnie odcinek cDNA. W testach tych korzysta się ze zdolności hybrydyzacji sondy ze ściśle określoną sekwencją DNA testowanego. Z informacji podawanych przez WHO wynika, w połowie roku 2000 używano kilkaset testów genetycznych np. test na obecność zmutowanych genów wywołujących anemię sierpowatą, fenyloketonurię, chorobę Huntingtona czy obecność w komórkach zmienionych genów BRCA odpowiedzialnych za rozwój nowotworów piersi i jajników. Transkryptomika umożliwia określenie miejsca i czasu aktywności danych genów. mRNA będące wynikiem transkrypcji hybrydyzuje z wyznakowaną radioaktywnie czasteczką cRNA. Ta samą drogą określić można aktywność genów w komórkach nowotworowych. Kolejna z metod biotechnologicznych - proteomika - zajmuje się określaniem i identyfikacją białek kodowanych przez określone geny. Znając sposób produkcji i właściwości protein można szybko opracować leki nowej generacji np. wiążące białka syntetyzowane przez komórki rakowe albo blokujące określone geny.

Genetyka odgrywa także wielką rolę w gospodarce. Dzięki zabiegom hodowlanym powstają odmiany maksymalnie homozygotyczne, otrzymane potomstwo jest jednorodne genetycznie, a selekcji podlegają cechy determinowane allelami recesywnymi bądź te, których nie cechuje dominacja zupełna. Chcąc szybko osiągnąć ten cel u roślin stosuje się samozapylenie przez kolka pokoleń, a u zwierząt chów wsobny, czyli inbreeding polegający na kojarzeniu ze sobą przez wiele pokoleń osobników blisko ze sobą spokrewnionych (najczęściej siostra x brat). Jednak w wielu przypadkach uzyskane pokolenia wsobne są mniej żywotne i mniej płodne. Wynika to z nagromadzenia się niekorzystnych układów genetycznych oraz genów recesywnych, które w typach dzikich są neutralne, a u szczepów wsobnych mogą prowadzić do śmiertelności. W niektórych przypadkach zabiegi sztucznej selekcji powodują pozytywne skutki. Tak było w latach dwudziestych XX wieku, kiedy badacze rozpoczęli krzyżowanie rachitycznie różnych linii czystej kukurydzy. Pokolenie F1 części tych krzyżówek wyrosło bujnie przewyższając płodnością wszystkie poznane wówczas odmiany dzikie i hodowlane. Przyczyny tego nieoczekiwanego sukcesu upatruje się w prawdopodobnie wysokim poziomie heterozygotyczności mieszańców. Heterozję, czyli tzw. wybujałość mieszańców, obserwuje się dziś także wśród zwierząt np. bydła czy świni.

Najnowsze techniki biotechnologiczne umożliwiają przeprowadzanie krzyżowań rasotwórczych, prowadzących do powstania nowej rasy przystosowanej lepiej do określonych warunków środowiska. Efekt osiąga się po długotrwałym krzyżowaniu kilku ras. W Polsce prowadzone są prace mające na celu wyhodowanie nowej razy owcy długowełnistej. Obecnie, obok krzyżówek w obrębie gatunku i rasy, prowadzi się kojarzenia międzygatunkowe, gdzie główną przeszkodą stanowią różnice w ilości chromosomów czy właściwości fizjologiczne. Zwierzęciem uzyskanym dzięki krzyżowaniu międzygatunkowemu jest na przykład muł. Udało się także skojarzyć bydło domowe z żubrem.

Celem hodowli roślin jest ich ulepszanie oraz tworzenie nowych odmian. Zaniechanie prac polegających na ulepszaniu istniejących już odmian, czyli tzw. hodowli zachowawczej powoduje spadek jakości materiału siewnego oraz zmniejszenie plonów. Tworzenie nowych odmian, czyli tzw. hodowlę twórczą, uznać należy za czynnik najszybszy i najistotniejszy w procesie zwiększania plonów roślinnych.

Biotechnologia niesie ze sobą wiele możliwości. Metody inżynierii genetycznej służyć mogą ratowaniu zdrowia ludzkiego np. dzięki produkcji przez zwierzęta transgeniczne organów niezbędnych do przeszczepów czy związków terapeutycznych takich, jak hormon wzrostu, a także tworzeniu zwierzęcych modeli chorób dziedzicznych człowieka. Metody inżynierii genetycznej przyczyniają się także do poprawiania np. wartości odżywczych mleka i mięsa oraz mogą zapobiec klęsce głodu. Jednak metody genetycznej modyfikacji organizmów są stosunkowo słabo jeszcze poznane i niosą również ze sobą ryzyko wystąpienia skutków ubocznych czy efektów niepożądanych. Aby do tego nie doszło należy rozsądnie i mądrze ingerować w naturę starając się, by prowadzone zabiegi i badania przyniosły więcej pożytku niż szkód.